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Physiker*innen der TU Dortmund haben einen Zeitkristall periodisch angetrieben und dabei eine bemerkenswerte Vielfalt nichtlinear dynamischer Phänomene entdeckt. Diese reichen von perfekter Synchronisation bis hin zu chaotischem Verhalten innerhalb einer einzigen Halbleiterstruktur. Die neuartigen Erkenntnisse hat das Team nun in der renommierten Fachzeitschrift Nature Communications veröffentlicht.
Für die aktuelle Arbeit nutzte das Team um Dr. Alex Greilich von der Fakultät Physik einen ultrarobusten Zeitkristall, den die Arbeitsgruppe bereits im vergangenen Jahr in der Fachzeitschrift Nature Physics vorgestellt hatte. Der Kristall aus dem Material Indiumgalliumarsenid war im ursprünglichen Experiment konstant mit einem Laser beleuchtet worden, so dass sich eine Kernspinpolarisation durch Wechselwirkung mit Elektronenspins ausbildete. Diese bildete dann wiederum spontan Oszillationen aus, welche als zeitlich periodisches Verhalten bei konstanter Anregung den Wesenskern eines Zeitkristalls darstellen.
In der nun veröffentlichten Folgestudie hat das Team die dynamischen Phasen des Zeitkristalls untersucht: Dazu haben die Physiker*innen den Halbleiter nicht mehr nur konstant, sondern periodisch beleuchtet – und dabei auch die Frequenz des periodischen Antriebs variiert. Das beobachtete Verhalten des Zeitkristalls, der Frequenzgang des Systems, reichte von perfekter Synchronisation bis hin zu chaotischem Verhalten. In einem Diagramm sind die dynamischen Phänomene gut zu sehen: Die erkennbaren Plateaus weisen darauf hin, dass der Frequenzgang des Systems streng an die Antriebsfrequenz gebunden ist. Diese Synchronisation tritt aber nur bei bestimmten Bruchteilen der Eigenfrequenz des Systems auf. Diese Bruchteile stimmen in der Reihenfolge, in der sie mit zunehmender Antriebsfrequenz auftreten, mit der sogenannten „Farey-Baumsequenz“ überein, einer bekannten hierarchischen Struktur, hier nun erstmalig in einem Kristall umgesetzt.
Wird die Antriebsfrequenz weiter variiert, wird das Ende des Synchronisationsbereichs erreicht: Dort gabelt sich jede Frequenzkomponente in mindestens zwei Zweige, die symmetrisch zur Synchronisationsfrequenz liegen. Diese Frequenzzweige verbinden die Synchronisationsplateaus und bilden zusammen eine Art Treppe, die in der Literatur als „Devil’s Staircase“ bekannt ist und den Weg entweder nach oben oder nach unten weist. Die Stufenhöhe und -breite nehmen mit jeder Stufe ab. Durch die Gabelungen entstehen mehrere unterschiedlich steile Treppen, die schließlich zusammenlaufen und zu chaotischer Bewegung führen. Chaotisch bedeutet dabei nicht, dass man die Bewegung nicht mehr vorhersagen kann, sondern vielmehr, dass kleinste Änderungen zu völlig anderen Bewegungsformen führen. Wird die Antriebsfrequenz dann noch weiter geändert, wird eine Grenzlinie überschritten, hinter der das Chaos zusammenbricht und die Bewegung wieder regelmäßig und periodisch wird.
„All diese Beobachtungen wurden erstmalig in einem Halbleiter gemacht. Sie stellen einen bedeutenden Schritt hin zu einem umfassenden Verständnis nichtlinearer Systeme dar“, sagt Dr. Alex Greilich. In Zukunft werde sein Team weiter dazu forschen, wie komplexe dynamische Zustände in nichtlinearen Systemen unter externer periodischer Ansteuerung entstehen und sich entwickeln. Diese Erkenntnisse aus der Grundlagenforschung könnten dazu beitragen, die Eigenschaften von Halbleitern, die für die moderne Elektronik essenziell sind, maßzuschneidern. Nichtlineare Systeme sind beispielsweise auch in der Biologie allgegenwärtig, etwa bei Phänomenen wie dem Herzschlag, dem kollektive Flug von Vögeln oder dem Zirpen von Grillen.
Dr. Alex Greilich
Fakultät Physik
E-Mail: alex.greilich@tu-dortmund.de
Telefon: +49 231-755 8525
https://doi.org/10.1038/s41467-025-58400-6
https://www.nature.com/articles/s41567-023-02351-6
Das Diagramm zeigt die hierarchische Farey-Baumsequenz (Farey tree: 1/2, 3/5, 2/3...) sowie die Trep ...
Alex Greilich
Dr. Alex Greilich
TU Dortmund
Criteria of this press release:
Journalists, Scientists and scholars
Physics / astronomy
transregional, national
Research results, Scientific Publications
German
Das Diagramm zeigt die hierarchische Farey-Baumsequenz (Farey tree: 1/2, 3/5, 2/3...) sowie die Trep ...
Alex Greilich
Dr. Alex Greilich
TU Dortmund
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